Что такое внешний тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя

Распределение теплоты, вводимой в двигатель с топливом, на по­лезно используемую и уходящую на различные потери, называется внешним тепловым балансом. Внешний тепловой баланс определяет­ся опытным путем и выражается в абсолютных или относительных величинах его составляющих.

В абсолютных величинах уравнение теплового баланса имеет следу­ющий вид

где: Q — общее количество теплоты, введенное в двигатель с топли­вом за определенный отрезок времени; Q_е — количество теплоты, перешедшее в эффективную работу; Q_охл — количество теплоты, передаваемое охлаждающей жидкости; Q_м — количество теплоты, передаваемое в смазочный материал; Q_газ — потери теплоты в отра­ботавших газах; Q_нс — потери теплоты вследствие неполноты сгора­ния топлива; Q_ост — остаточные потери теплоты, не учтенные оста­льными составляющими теплового баланса.

Общее количество теплоты Q определяется по низшей тепло­творной способности топлива Н_ии его часовому расходу G_т: .

Количество полезно используемой теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя за 1 ч, определяется по формуле .

Потери теплоты в охлаждающей жидкости определяются формуле

Где: с_охл — теплоемкость охлаждающей жидкости; G_охл — расход охлаждающей жидкости; t_вых и t_вх — температуры охлаждающей кости на выходе и входе системы охлаждения соответственно.

Потери теплоты в смазочном материале определяются при наличии на двигателе масляного радиатора, в противном случае Q_м включают в остаточные потери теплоты. Потери в смазочном материале определяются аналогично Q_охл.

Потери теплоты в отработавших газах определяются по формуле, предположив, что количество газов G_газ равно сумме количеств поступившего воздуха G_в и топлива G_T: ,

где: с_р — средняя теплоемкость отработавших газов при постоянном давлении; t_г — температура отработавших газов; t — температура окружающей среды.

Потери вследствие неполноты сгорания топлива определяя только для карбюраторного двигателя при коэффициенте избытка воздуха а

Теплоту Q_охл и Q_миспользуют при расчете систем оxлаждения смазочного материала и наддува.

По величине Q_нс можно судить о степени неполноты сгорания и определить пути повышения теплоиспользования.

Количество теплоты по составляющим теплового баланса под­считывают в кДж за единицу времени. Однако наиболее распро­странено составление теплового баланса в относительных величи­нах, где каждая составляющая выражена в процентах к введенному количеству теплоты с топливом. В этом случае уравнение теплового баланса имеет вид: ,

где: q_е=(Q_е /Q) • 100; q_ОХЛ = (Q_охл/Q) ·100; q_м = (Q_м/Q) ·100 и т. д.

В табл. 6.2 приведены средние значения составляющих теплово­го баланса. Данные таблицы свидетельствуют, что основные тепло­вые потери — это потери в охлаждающей жидкости и в отработав­ших газах.

Таблица 6.2.Процентное соотношение составляющих теплового баланса, %

Двигатель	qе	qохл	qгаз	qнс	qост
Карбюраторный	20-48	13-27	35-50	0-45	3-8
Дизель: Без наддува С наддувом	30-43 35-45	17-35 12-25	25-45 25-40	0-5 0-5	2-5 2-5

Одним из способов использования тепловых потерь является применение турбонаддува, где нагнетатель приводится в действие за счет энергии отработавших газов.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Тепловой баланс двигателя

Тепловой баланс двигателя — раздел Механика, Индикаторные диаграммы 4-х и 2-х тактного двигателей. Основные показатели .

Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, не может быть полно­стью превращено в полезную работу, так как в соответствии со вторым законом термодинамики часть этого тепла должна быть передана хо­лодному источнику. В реально выполненных двигателях, работающих по действительному циклу, имеют место дополнительные потери тепла в охлаждающую воду, с отработавшими газами и др. Количественное распределение тепловой энергии топлива на полезную работу и потери при превращении тепла в механическую работу в цилиндрах двигателя носят название теплового баланса.

Все подведенное тепло, полученное от сгорания топлива —100%

разделяется примерно на составные части согласно таблице.

Совершает полезную работу———————-45-55 %

Потери тепла с выпускными газами 25- 40 %

Потери с охлаждающей водой и маслом 15-28 %

Потери в результате неполного сгорания 5-10 %

Потери от теплового излучения ДВС 3-6%

Тепловой баланс двигателя определяется не аналитически, а на ос­новании экспериментальных данных при испытании двигателя. Однако и в этом случае часть тепловых потерь не поддается учету.

В общем виде уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

Q = Qe + Qω + Qg + Qx + Qs. ( 1)

Где Q —100 % подведенного тепла к двигателю при сгорании всего топлива

1.1) потери от неполноты сгорания вследствие плохого пере­мешивания топлива с воздухом;

1.2) потери, эквивалентные части работы трения в подшипниках и прочих механизмах (потери тепла на трение между поршнем и цилиндром поглощаются охлаждающей водой);

1.3) по­тери от лучеиспускания

1.4) потери, эквивалентные кинетической энер­гии отработавших газов. Кроме того, в остаточный член входит неизбеж­но получающаяся при экспериментировании неувязка теплового баланса. Суммарно остаточный член Qs теплового баланса составляет 5—10% от общего количества тепла, введенного в цилиндр двигателя. Практически Qs определяют как разность между количеством затраченного тепла в единицу времени Q_T и следующими составляющими теплового баланса:

2. Тепло Qe, превращенное в полезную работу :

Qe=Ne дж/сек (Qe=632Ne кал/ч) для дизелей составляет 45-55 %

3. Тепло Qω потерянное с охлаждающей водой:

Qω=Gв (tвых- tвх) Со, для дизелей составляет 15-28 %

где tвх и t вых — температура входящей и выходящей воды;

Со — теплоемкость воды.

4. Тепло Qg, теряемое с отработавшими газами:

Qg=(М п.сmc_p’ Tr—M₁ mc_pT_a)G_{r ——- для дизелей составляет 25-42 %}

где М п.с и M₁— число молей продуктов сгорания и свежего заряда на 1 кг топлива;

mс’ _р и mс_р— молярные теплоемкости продуктов сгорания и свеже­го заряда при р=const;

Tr и Та — температура отработавших газов и свежего заряда;

По тепловому балансу можно оценить долю потерь каждой из со­ставляющих баланса и при доводке двигателя определить возможность снижения принципиально устранимых потерь тепла, имеющих место в двигателе сверх неизбежных потерь. Принципиально устранимые потери включены в следующие составляющие баланса: Qg, Qw, Qx, Qs вместе с неизбежными потерями, согласно второму закону термодинамики.

Как видно из формулы теплового баланса ( 1) наибольшие потери тепла составляют с выхлопными газами.

Эта тема принадлежит разделу:

Индикаторные диаграммы 4-х и 2-х тактного двигателей. Основные показатели

Равновесные процессы обладают свойством обратимости состоящим в том что процесс совершается сначала в прямом а затем в обратном направлении.. процессы в которых рабочее тело возвращается в первоначальное состояние.. в зависимости от характера протекания и способа подвода теплоты рассматриваемые в термодинамике процессы разделяются..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Тепловой баланс двигателя

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Индикаторные диаграммы 4-х и 2-х тактного двигателей. Основные показатели
1. Некоторые сведения из термодинамики: ПЕРВЫЙ И ВТОРОЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Физический смысл первого закона термодинамики, или, как его часто называют, первого начала тер

Изменение состояния газа, т. е. его параметров, называется термодинамическим процессом
В реальных условиях параметры Т и р в ходе процесса изменяются неодновременно по всей массе газа. В процессе сжатия газа в цилиндре, по мере уменьшения объема, слои газа, расположенны

A — действительный; б — теоретический, в — идеальный
На рис. 26.2,а,б и в приведены диа­граммы: действительного теоретического и идеального циклов Дизеля. Характерным в работе реальных двигателей по циклу Дизеля является впуск

А — действительный; б — теоретический; в — идеальный
На рис. 26.3,а,б и в приведены диаграммы дейст­вительного, теоретического и идеального циклов Сабатэ. Характерной особенностью работы реального двигателя по этому циклу, так

Индикаторная диаграмма 2-х тактного двигателя
Понятия и определения, которые необходимо знать: 1. какие термодинамические процессы называются круговыми или циклами. 2. что такое теоретичес

Процесс наполнения
Процесс впуска предназначен для введения в цилиндр свежего за­ряда: горючей смеси — в бензиновых двигателях или воздуха — в дизелях. Чем больший по массе свежий заряд будет введен в цилиндр двигате

Процесс сжатия
Процесс сжатия в д.в.с. проводится с целью создания условий для эффективного протекания следующего за ним процесса сгорания.В процессе сжатия имеют место следующие явления. Свежий заряд подогревает

Для упрощения расчета цикла полагают, что процесс сжатия протекает по политропе со средним постоянным показателем
На величину n1 влияют быстроходность двигателя, материал поршня и охлаждение его. С увеличением быстроходности время для теплообмена уменьшается и

Определение давления сжатия Рс
Давление газов рс и температура Тс в конце сжатия определяются из соотношений параметров политропного процесса сж

Определение температуры Тс
Из уравнения политропы сжатия Тс / Та = (Vа/ Vс ) n1-1 Находим температу

Диагностика ДВС вибросистемой ДЕПАС
Недостаточное давление в конце сжатия не обеспечит нужной темпе­ратуры для самовоспламенения топл

Смесеобразование в дизелях
Сжигание топлива является одним из самых распространенных ме­тодов получения тепловой энергии, используемой для различных произ­водственных целей и особенно для последующего трансформирования ее в

Определение низшей теплотворной способности топлива
количество теплоты ,выделяемое при сгорании топлива, называется теплотворной способностью

Тепловой расчет целесообразно начать с определения низшей теплотворной
способности топлива Qнp ккал/кГ. (Сортом топлива задаемся — дизельное) 1.Химический состав топлива в процентах по весу: Массовое содержание углерода С

Количество смеси газов в цилиндре до начала и в конце горения
Для сжигания 1 кг топлива в цилиндр вводится L кмоль воздуха. Кроме того, в нем имеются остаточные газы в количестве Мг кмоль. Таким образом, в период сжатия

Процесс сгорания, параметры процесса сгорания
Для современных д.в.с. оптимальная продолжительность процесса сгорания составляет примерно 0,02—0

Определение температуры, давления и объема в конце сгорания
В правые части уравнений сгорания входят теплоемкости, зависящие от Tz. Поэтому после подстановки численных значений эти уравнения будут полными квадратными уравнениями относитель

Процесс расширения. параметры процесса расширения
В отличие от идеального в рабочем цикле газы расширяютс

Ср.индикаторное давление. Виды мощностей
Построение расчётной индикаторной диаграммы Индикаторная диаграмма служит исходным материалом для динамического и прочностного расчета двигателя. Построение индикаторной д

Проводим атмосферную линию
P0 * 25= мм. Проводим линию давления впуска Pa * 25= мм. Проводим линию давления выпуска Pb1 * 25= мм.

Это произведение будет постоянным для любой точки политропы сжатия
Найдем давление в миллиметрах для объема т.111, —(Vz) объема предварительного расширения в т.Z Vz= Vc * r = 17.5 * 1.95 = 34 мм

Мощность индикаторная- развиваемая газами непосредственно внутри цилиндров двигателя
Если коленчатый вал одноцилиндрового четырехтактного дви¬гателя делает n об/сек, то за 1 сек в его цилиндре совершается n/2 цикл/сек. В цилиндре двухтактного дизеля при п об/сек его коленчатого вал

Мощность эффективная- замеренная на коленчатом валу,. Это есть индикаторная мощность с учетом механических потерь в двигателе
Ne= Ni nm , где nm – коэффициент механическиъх потерь в ДВС ( механический КПД) Вычисление Nе по формуле, конечно, бу

Мощность номинальная- гарантируемая заводом-изготовителем для определенных длительных условий работы эффективная мощность двигателя
4. мощность максимальная- на 10 % больше эффективной .По этой мощности устанавливается ограничение рейки ТНВД с пломбой. Ответить н

Удельный расход топлива
Количество топлива, расходуемого в двигателе за единицу времени на единицу мощности, называется удельным расходом топлива. — В зависимости от того, к какой мощности отн

Индикаторный к.п.д
Отношение количества теплоты, превращенной в работу в цилиндре, к расчетной теплоте сгорания топлива, затраченного на получение этой работы называется индикаторным К.П.Д.— ηi

Расчет температуры наддува
Температура воздуха на входе в двигатель:

Пpи сжатии воздуха в компрессоре происходит повышение
его температуры, которая определяется по формуле: • Где • Т0 — температура атмосферного воздуха; • К = 1,40 — п

Теплонапряженность
Тепловое состояние ЦПГ, определяющее работоспособность и надежность ее деталей в эксплуатации, называется теплонапряженностью цилиндра. Температура нагрева деталей в районе камеры сгорания ( вту

Определение пути,скорости и ускорения поршня
В поршневых ДВС кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательное движение

Скорость и ускорение поршня
Средняя скорость поршня Vm наряду с частотой вращения является показателем скоростного режима двигателя. Она определяется по формуле Vm = Sn/30, где S — ход поршня, м; п — частота вращения, мин-1.

Продифференцировав аналогичным образом формулу ( 1) получим
С= Rω sin (a +B) / cosB (4) Значения функции sin (a +B) берут из таблиц приводимых в справочниках и пособиях взависимости от a и λ.

Определение ускорения поршня
Известно из физики Fи= ma, т.е силы инерции зависят от массы и ускорения. Для уравнове

Моменты , действующие в кривошипно-шатунном механизме
СИЛЫ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ Р= Pz x F = Рz x пD2 /4 ( 2 ) где F- пл

Неравномерность вращения
Как видна из суммарной диаграммы касательных сил (см. рис. 252), касательная сила, а следовательно; и крутящий момент не остаются постоянными, вследс

Понятия об уравновешенности двигателя
Один из недостатков ДВС –их способность вызывать вибрацию корпуса судна. Причин

Совпадают с частотой вращения коленвала и вызывают общую вибрацию корпуса
λмп Rω2 cos 2а = Ри2 ——силы инерции второго прядка. Частота колебаний вдвое больше частоты вращения коленвала . вызывает мест

Обеспечение уравновешенности
При оценке уравновешенности принято лишь об неуравновешенных силах. Ввиду того что неуравновешенные силы инерции вызывают дополнительные напряжения и преждевременный износ отдельных частей двигател

Крутильные колебания коленчатых валов
Свободные крутильные колебания. Коленчатый вал двигателя и остальные жестко соединенные с ним валы являются упругими телами. На них насажены массы, обладающие значительными моментами инерции. Такая

А) селиконовый демпфер, б)механический демпфер
Крутильные колебания могут быть записаны приборами, называемыми торсиографами. Ослабления крутильных колебаний можно достигнуть поглощением их энергии. Устр

Запрещается регулирование демпферов обслуживающим персоналом
В демпферах жидкостного трения энергия крутильных колебаний поглощается силами внутреннего трения (вязкостью) жидкости. Одним из типов демпфера вязкостного трения является силиконовый демпфер . Он

Что такое тепловой баланс ДВС?

Каждый раз, когда вы читаете статьи об автомобилях, претендующие на научность и скрупулёзность, ваш взгляд натыкается на термины и понятия, кажущиеся незнакомыми. Особенно этим любят козырнуть мастера тюнинга и какие-нибудь эксперты. И если вам в этих статьях всё понятно без пояснений, то это прекрасно. Но если вы думаете, что некоторые вещи всё-таки стоило бы назвать попроще, то ничего страшного, мы расскажем.

Например, часто упоминают тепловой баланс двигателя. Причём, как правило, произносят этот термин так, как будто все на свете должны знать, что он означает.

О чём идёт речь

Смысл работы двигателя внутреннего сгорания, с точки зрения физики, заключается в преобразовании тепловой энергии в кинетическую. В камере сгорания двигателя тепло от микровзрыва толкает поршень; но фазы работы ДВС вы наверняка и так знаете. Применительно же к нашей теме, если рассмотреть процесс с точки зрения физики и измерений, то получится, что тепло расходуется не только.

Тепловой баланс двигателя дает представление о распределении теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Тепловой баланс может быть составлен на основании данных испытаний двигателя или со значительными допущениями подсчитан аналитическим методом.

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

где: Q – количество теплоты, заключенное в сгоревшем топливе;

QЕ – количество теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя;

QВ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое системой охлаждения и смазки;

QГ – часть полных тепловых потерь, соответствующая количеству теплоты, отводимое с отработавшими газами;

QН – часть полных тепловых потерь, обусловленная неполным или несовершенным сгоранием топлива в цилиндре двигателя;

QОСТ – остаточный член теплового баланса, учитывающий количество теплоты, теряемое вследствие теплового излучения в окружающую среду, количество.

Тепловой баланс двигателя изменяется в зависимости от его конструкции и режима работы.

Тепловой баланс двигателя ( табл. 5) заранее не может быть точно определен с помощью аналитических расчетов. Вследствие этого его обычно определяют экспериментальным путем, испытывая двигатель в лаборатории на специально оборудованном стенде.

Тепловой баланс двигателя выражают также в процентах.

Тепловой баланс двигателя показывает распределение тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Тепловой баланс двигателя зависит от ряда факторов, среди: которых наибольшее значение имеет нагрузка. С ростом нагрузки возрастает процент тепла, превращенного в полезную работу, и уменьшаются относительные потери на трение и с охлаждающей водой. Как видно из теплового баланса, наиболее значительная часть тепла ( 60 — 70 %) теряется с отработавшими газами и с охлаждающей водой. Экономичность силовой установки может быть значительно увеличена путем уменьшения тепловых.

Каждому автовладельцу известен такой термин, как тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания. Но что конкретно несёт в себе это понятие, как измеряется и на каких принципах основано? Об этом и пойдёт речь сегодня.

Не все до конца понимают, что такое тепловой баланс двигателя

Если бы можно было приостановить действие некоторых законов физики, человечество уже давно достигло пика своего развития. Но к сожалению, это невозможно. Нам остаётся только использовать их, стараясь извлечь при этом максимальную пользу.

С одним из таких «неудобных» законов напрямую связан низкий КПД силовых агрегатов автомобиля. Что же не позволяет нам развивать немыслимую скорость на своих авто? Какие попытки предпринимаются для преодоления этого препятствия? Сейчас мы с вами выясним.

Почему я не сокол, отчего не летаю

Процесс выпуска отработавших газов начинается при открытии

выпускных окон, т.е. за 60 — 65 до прихода поршня в НМТ, и заканчивается через 60 — 65 после прохода поршнем НМТ. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается, а за 50 — 55 до прихода поршня в НМТ открываются продувочные окна и горючая смесь, ранее поступившая в кривошипную камеру и сжатая опускающимся поршнем, начинает поступать в цилиндр. Период, в течение которого происходит одновременно два процесса — впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов — называют продувкой. Во время продувки горючая смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними.

При дальнейшем перемещении к ВМТ поршень перекрывает сначала

продувочные окна, прекращая доступ горючей смеси в цилиндр из кривошипной камеры, а затем выпускные и начинается в цилиндре процесс сжатия.

ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ

Расчет и построение теплового баланса двигателя

Расчет составляющих тепло­вого баланса ведем в зависимости от частоты вращения для режима работы двигателя с полной нагрузкой, используя при этом да­нные расчета внешней скоростной характеристики, приведенные в таблице 6.

Общее количество теплоты, вводимое в двигатель с топливом в единицу времени определяем по формуле

, (98)

.

Теплота, расходуемая на совершение эффективной работы в едини­цу времени, равна

, (99)

.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде, определяется по фор­муле

, (100)

где с – коэффициент пропорциональности, принимаем с = 0,5;

m – показатель степени, принимаем для четырехтактного КБД– m = 0,63;

ΔH_ux – теплота, теряемая вследствие химической неполноты сгорания топлива

, (101)

.

.

Теплоту, уносимую из двигателя с отработавшими газами, опреде­ляем по формуле

, (102)

где – средняя мольная теплоемкость остаточных газов при р = const и температуре t_rx °C, кДж/кмоль·град;

– средняя мольная теплоемкость остаточных газов при р = const и температуре t = t, кДж/кмоль·град;

М_1х и М_2х – количество свежего заряда и отработавших газов, определяемые в зависимости от a_х по формулам, приведенным в п. 2:

;

;

;

;

;

;

;

t_rx – температура отработавших газов, изменяющаяся с изменением частоты вращения, °С.

Для выполнения дальнейших расчетов необходимо задаться зако­ном изменения температуры отработавших газов по частоте вращения, учитывая при этом, что с уменьшением частоты вращения от п_N до n_min температура отработавших газов уменьшается на 150. 250° приблизи­тельно по линейной зависимости. Тогда промежуточные значения t_rx опреде­лим по выражению

, (103)

где t_rN – температура отработавших газов при номинальной часто­те вращения, принята в п. 3 равной t_rN = Т_r – 273 = 777 °C;

t_r.min – температура отработавших газов при минимальной час­тоте вращения, t_r.min = t_rN – (150°…250°) = 577 °С;

.

Средние мольные теплоемкости в уравнении (102) определяем по выражениям:

; (104)

. (105)

При определении теплоемкости отработавших газов, при V = const предварительно по формулам (24) – (28), подставляя в них вмес­то t_c значение t_rx, определяем теплоемкости отдельных компонентов отработавших газов:

;

;

;

;

.

Зная величины средних мольных теплоемкостей отдельных компонентов, найдем искомую среднюю мольную теплоемкость по формуле (29)

а затем по формуле (104) найдем

.

Теплоемкость свежего заряда определяют по формуле (23), в которую вме­сто температуры t_c подставляют значение t = t = 20 °С :

,

а затем по формуле (105) найдем

.

Теперь определим теплоту, уносимую отработавшими газами по формуле (102):

.

Заключение

Проведенные расчеты показали, что для увеличения мощности двигателя и частоты вращения коленчатого вала ход поршня должен быть равным S = 86 мм, диаметр цилиндра D = 80 мм. При этом литраж двигателя будет равен V_л = 1,7291 л, эффективная мощность N_e = 67,486 кВт, литровая мощность N_л = 39,029 кВт/л, эффективный крутящий момент М_е = 104,62 Н×м и часовой расход топлива G_Т = 21,250 кг/ч.